17.8
يُطلق على تغيير الطاقة الحرة للتفاعل الذي يحدث في ظل الظروف القياسية لضغط 1 بار وعند 298 كلفن تغيير الطاقة الحرة القياسي. نظرًا لأن الطاقة الحرة هي إح…
يمكن حساب تغير الطاقة الحرة القياسي لتفاعل كيميائي،يجري في ظروف معيارية بواحدة من ثلاث طرق. الطريقة الأولى تستخدم معادلة دلتا G القياسية للتفاعل. لنتأمل تشكّل كربونات الكالسيوم من أول أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
يمكن حساب التغير القياسي في المحتوى الحراري للتفاعل من درجات حرارة تشكّل المركبات في التفاعل،ويمكن حساب التغير القياسي في القصور الحراري من خلال القصور الحراري القياسي المولي لتلك المركبات. باستخدام القيم من الجداول المرجعية،يمكن تحديد التغير القياسي في المحتوى الحراري والقصور الحراري للتفاعل. باستبدال هذه القيم في معادلة تغير الطاقة الحرة القياسي،فإن دلتا G القياسية للتفاعل عند درجة حرارة 298 كلفن تساوي 130.7 10³ جول.
وفي الطريقة الثانية يُحسب التغير في الطاقة الحرة القياسي للتفاعل،من الفرق بين كمية الطاقات الحرة لتشكّل النواتج مضروبًا في معاملات تكافؤها إضافة إلى كمية الطاقات الحرة لتشكّل المواد المتفاعلة مضروبة في معاملات اتحاديتها. لنأخذ على سبيل المثال تفاعل غازي الهيدروجين والكلور لتشكيل مولين من غاز كلوريد الهيدروجين. كحال المحتوى الحراري للتشكّل،يكون تغير الطاقة الحرة القياسي لتشكّل عنصر نقي صفرًا.
بالتالي فإن الطاقات الحرة لتشكّل غازي الهيدروجين والكلور تساوي صفرًا،بينما الطاقة الحرة لتشكّل غاز كلوريد الهيدروجين تساوي 95.3 كيلو جول. لذا فالطاقة الحرة لهذا التفاعل تساوي طاقة تشكّل غاز كلوريد الهيدروجين مضروبة في 2،أو 190.6 كيلو جول. تذكروا من قانون هس أنه في تفاعل من عدة خطوات،يمكن حساب التغير الإجمالي في المحتوى الحراري من مقدار المحتويات الحرارية في كل خطوة.
أما الطريقة الثالثة فتحسب التغير الإجمالي في الطاقة الحرة لتفاعل معين على نحو مشابه. لنتأمل احتراق كبريتيد الزنك لإنتاج زنك فلزي وغاز ثاني أكسيد الكبريت،وهي معادلة يمكن إجراؤها في خطوتين بكمية طاقة حرة قياسية معروفة. إضافة التغيرات في الطاقة الحرة للتفاعل تعطي إجمالي دلتا G بقيمة 98.8 كيلو جول.
لاحظوا أن الخطوة الأولى ليست تلقائية. بإقرانها مع التفاعل التلقائي في الخطوة الثانية،تكون دلتا G الإجمالية للتفاعل سالبة وهو بالتالي تفاعل تلقائي.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the three methods for calculating standard free energy change?
The three methods are: (1) using standard enthalpy and entropy values with the ΔG° equation, (2) calculating from standard free energies of formation of products and reactants, and (3) applying Hess's law principles by summing free energy changes of stepwise reactions. Each method yields the same result since free energy is a state function.
Q2: How do you calculate standard free energy change from enthalpy and entropy?
Determine the standard enthalpy change (ΔH°) from heats of formation and standard entropy change (ΔS°) from standard molar entropies using reference tables. Substitute these values into ΔG° = ΔH° − TΔS° at 298 K. For example, calcium carbonate formation yields ΔG° = −130.7 × 10³ J using this approach.
Q3: Why is the standard free energy of formation zero for pure elements?
By definition, the standard free energy of formation equals zero for elemental substances under standard state conditions because there is no net formation process—the element already exists in its standard state. This convention simplifies calculations, as only compounds contribute to the overall free energy change.
Q4: How do you use free energies of formation to find the standard free energy change of a reaction?
Calculate the sum of free energies of formation of products multiplied by their stoichiometric coefficients, then subtract the sum of free energies of formation of reactants multiplied by their coefficients. For hydrogen and chlorine forming hydrogen chloride, ΔG° = 2(−95.3 kJ) − 0 = −190.6 kJ.
Q5: What does a negative standard free energy change indicate about a reaction?
A negative ΔG° indicates the reaction is spontaneous under standard conditions and will proceed forward. Conversely, a positive ΔG° means the reaction is nonspontaneous. Coupling a nonspontaneous reaction with a spontaneous one can yield an overall negative ΔG°, making the combined process thermodynamically favorable.
Q6: How can Hess's law be applied to calculate free energy changes for stepwise reactions?
For a reaction carried out in multiple steps, sum the standard free energy changes of each individual step to obtain the overall ΔG°. This works because free energy is a state function. For zinc sulfide combustion in two steps with known ΔG° values, the net reaction yields ΔG° = −98.8 kJ.
Q7: What are standard state conditions for calculating free energy changes?
Standard state conditions are defined as 1 bar pressure and 298 K (25°C) temperature. The free energy change calculated under these conditions is called the standard free energy change (ΔG°). These standardized conditions allow chemists to use widely available thermodynamic data tables for consistent calculations.